IPSec VPN基本原理
IPSec VPN是目前VPN技術(shù)中點擊率非常高的一種技術(shù)，同時提供VPN和信息加密兩項技術(shù)，這一期專欄就來介紹一下IPSec VPN的原理。
IPSec VPN的應(yīng)用場景分為3種：
1. Site-to-Site（站點到站點或者網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)關(guān)）：如彎曲評論的3個機構(gòu)分布在互聯(lián)網(wǎng)的3個不同的地方，各使用一個商務(wù)領(lǐng)航網(wǎng)關(guān)相互建立VPN隧道，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)（若干PC）之間的數(shù)據(jù)通過這些網(wǎng)關(guān)建立的IPSec隧道實現(xiàn)安全互聯(lián)。
2. End-to-End（端到端或者PC到PC）： 兩個PC之間的通信由兩個PC之間的IPSec會話保護，而不是網(wǎng)關(guān)。
3. End-to-Site（端到站點或者PC到網(wǎng)關(guān)）：兩個PC之間的通信由網(wǎng)關(guān)和異地PC之間的IPSec進行保護。
VPN只是IPSec的一種應(yīng)用方式，IPSec其實是IP Security的簡稱，它的目的是為IP提供高安全性特性，VPN則是在實現(xiàn)這種安全特性的方式下產(chǎn)生的解決方案。IPSec是一個框架性架構(gòu)，具體由兩類協(xié)議組成：
1. AH協(xié)議（Authentication Header，使用較少）：可以同時提供數(shù)據(jù)完整性確認(rèn)、數(shù)據(jù)來源確認(rèn)、防重放等安全特性；AH常用摘要算法（單向Hash函數(shù)）MD5和SHA1實現(xiàn)該特性。
2. ESP協(xié)議（Encapsulated Security Payload，使用較廣）：可以同時提供數(shù)據(jù)完整性確認(rèn)、數(shù)據(jù)加密、防重放等安全特性；ESP通常使用DES、3DES、AES等加密算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，使用MD5或SHA1來實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性。
為何AH使用較少呢？因為AH無法提供數(shù)據(jù)加密，所有數(shù)據(jù)在傳輸時以明文傳輸，而ESP提供數(shù)據(jù)加密；其次AH因為提供數(shù)據(jù)來源確認(rèn)（源IP地址一旦改變，AH校驗失敗），所以無法穿越NAT。當(dāng)然，IPSec在極端的情況下可以同時使用AH和ESP實現(xiàn)最完整的安全特性，但是此種方案極其少見。
IPSec封裝模式
介紹完IPSec VPN的場景和IPSec協(xié)議組成，再來看一下IPSec提供的兩種封裝模式（傳輸Transport模式和隧道Tunnel模式）
上圖是傳輸模式的封裝結(jié)構(gòu)，再來對比一下隧道模式：#p#
可以發(fā)現(xiàn)傳輸模式和隧道模式的區(qū)別：
1. 傳輸模式在AH、ESP處理前后IP頭部保持不變，主要用于End-to-End的應(yīng)用場景。
2. 隧道模式則在AH、ESP處理之后再封裝了一個外網(wǎng)IP頭，主要用于Site-to-Site的應(yīng)用場景。
從上圖我們還可以驗證上一節(jié)所介紹AH和ESP的差別。下圖是對傳輸模式、隧道模式適用于何種場景的說明
從這張圖的對比可以看出：#p#
1. 隧道模式可以適用于任何場景
2. 傳輸模式只能適合PC到PC的場景
隧道模式雖然可以適用于任何場景，但是隧道模式需要多一層IP頭（通常為20字節(jié)長度）開銷，所以在PC到PC的場景，建議還是使用傳輸模式。
為了使大家有個更直觀的了解，我們看看下圖，分析一下為何在Site-to-Site場景中只能使用隧道模式：
如上圖所示，如果發(fā)起方內(nèi)網(wǎng)PC發(fā)往響應(yīng)方內(nèi)網(wǎng)PC的流量滿足網(wǎng)關(guān)的興趣流匹配條件，發(fā)起方使用傳輸模式進行封裝：
1. IPSec會話建立在發(fā)起方、響應(yīng)方兩個網(wǎng)關(guān)之間。
2. 由于使用傳輸模式，所以IP頭部并不會有任何變化，IP源地址是192.168.1.2，目的地址是10.1.1.2。
3. 這個數(shù)據(jù)包發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)后，其命運注定是杯具的，為什么這么講，就因為其目的地址是10.1.1.2嗎？這并不是根源，根源在于互聯(lián)網(wǎng)并不會維護企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的路由，所以丟棄的可能性很大。
4. 即使數(shù)據(jù)包沒有在互聯(lián)網(wǎng)中丟棄，并且幸運地抵達了響應(yīng)方網(wǎng)關(guān)，那么我們指望響應(yīng)方網(wǎng)關(guān)進行解密工作嗎？憑什么，的確沒什么好的憑據(jù)，數(shù)據(jù)包的目的地址是內(nèi)網(wǎng)PC的10.1.1.2，所以直接轉(zhuǎn)發(fā)了事。
5. 最杯具的是響應(yīng)方內(nèi)網(wǎng)PC收到數(shù)據(jù)包了，因為沒有參與IPSec會話的協(xié)商會議，沒有對應(yīng)的SA，這個數(shù)據(jù)包無法解密，而被丟棄。
我們利用這個反證法，巧妙地解釋了在Site-to-Site情況下不能使用傳輸模式的原因。并且提出了使用傳輸模式的充要條件：興趣流必須完全在發(fā)起方、響應(yīng)方IP地址范圍內(nèi)的流量。比如在圖中，發(fā)起方IP地址為6.24.1.2，響應(yīng)方IP地址為2.17.1.2，那么興趣流可以是源6.24.1.2/32、目的是2.17.1.2/32，協(xié)議可以是任意的，倘若數(shù)據(jù)包的源、目的IP地址稍有不同，對不起，請使用隧道模式。
IPSec協(xié)商#p#
IPSec除了一些協(xié)議原理外，我們更關(guān)注的是協(xié)議中涉及到方案制定的內(nèi)容：
1. 興趣流：IPSec是需要消耗資源的保護措施，并非所有流量都需要IPSec進行處理，而需要IPSec進行保護的流量就稱為興趣流，最后協(xié)商出來的興趣流是由發(fā)起方和響應(yīng)方所指定興趣流的交集，如發(fā)起方指定興趣流為192.168.1.0/24à10.0.0.0/8，而響應(yīng)方的興趣流為10.0.0.0/8à192.168.0.0/16，那么其交集是192.168.1.0/24?à10.0.0.0/8，這就是最后會被IPSec所保護的興趣流。
2. 發(fā)起方：Initiator，IPSec會話協(xié)商的觸發(fā)方，IPSec會話通常是由指定興趣流觸發(fā)協(xié)商，觸發(fā)的過程通常是將數(shù)據(jù)包中的源、目的地址、協(xié)議以及源、目的端口號與提前指定的IPSec興趣流匹配模板如ACL進行匹配，如果匹配成功則屬于指定興趣流。指定興趣流只是用于觸發(fā)協(xié)商，至于是否會被IPSec保護要看是否匹配協(xié)商興趣流，但是在通常實施方案過程中，通常會設(shè)計成發(fā)起方指定興趣流屬于協(xié)商興趣流。
3. 響應(yīng)方：Responder，IPSec會話協(xié)商的接收方，響應(yīng)方是被動協(xié)商，響應(yīng)方可以指定興趣流，也可以不指定（完全由發(fā)起方指定）。
4. 發(fā)起方和響應(yīng)方協(xié)商的內(nèi)容主要包括：雙方身份的確認(rèn)和密鑰種子刷新周期、AH/ESP的組合方式及各自使用的算法，還包括興趣流、封裝模式等。
5. SA：發(fā)起方、響應(yīng)方協(xié)商的結(jié)果就是曝光率很高的SA，SA通常是包括密鑰及密鑰生存期、算法、封裝模式、發(fā)起方、響應(yīng)方地址、興趣流等內(nèi)容。
我們以最常見的IPSec隧道模式為例，解釋一下IPSec的協(xié)商過程：
上圖描述了由興趣流觸發(fā)的IPSec協(xié)商流程，原生IPSec并無身份確認(rèn)等協(xié)商過程，在方案上存在諸多缺陷，如無法支持發(fā)起方地址動態(tài)變化情況下的身份確認(rèn)、密鑰動態(tài)更新等。伴隨IPSec出現(xiàn)的IKE（Internet Key Exchange）協(xié)議專門用來彌補這些不足：
1. 發(fā)起方定義的興趣流是源192.168.1.0/24目的10.0.0.0/8，所以在接口發(fā)送發(fā)起方內(nèi)網(wǎng)PC發(fā)給響應(yīng)方內(nèi)網(wǎng)PC的數(shù)據(jù)包，能夠得以匹配。
2. 滿足興趣流條件，在轉(zhuǎn)發(fā)接口上檢查SA不存在、過期或不可用，都會進行協(xié)商，否則使用當(dāng)前SA對數(shù)據(jù)包進行處理。
3. 協(xié)商的過程通常分為兩個階段，第一階段是為第二階段服務(wù)，第二階段是真正的為興趣流服務(wù)的SA，兩個階段協(xié)商的側(cè)重有所不同，第一階段主要確認(rèn)雙方身份的正確性，第二階段則是為興趣流創(chuàng)建一個指定的安全套件，其最顯著的結(jié)果就是第二階段中的興趣流在會話中是密文。
IPSec中安全性還體現(xiàn)在第二階段SA永遠是單向的：#p#
從上圖可以發(fā)現(xiàn)，在協(xié)商第二階段SA時，SA是分方向性的，發(fā)起方到響應(yīng)方所用SA和響應(yīng)放到發(fā)起方SA是單獨協(xié)商的，這樣做的好處在于即使某個方向的SA被破解并不會波及到另一個方向的SA。這種設(shè)計類似于雙向車道設(shè)計。
IPSec雖然只是5個字母的排列組合，但其所涉及的協(xié)議功能眾多、方案又極其靈活，本期主要介紹IPSec的基本原理，在后續(xù)專欄還會繼續(xù)介紹IPSec的其它方面知識。。
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